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전력 소자 구동기의 선택 및 시작하는 방법

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글/Bill Schweber, DigiKey 북미 편집자

이산 소자 실리콘 금속 산화 실리콘 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET, 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT), 모듈 등 모든 이산 소자 스위칭 전력 소자에는 구동기가 필요하다. 구동기는 엄격한 전류, 전압 및 타이밍 요구 사항을 가진 스위칭 소자의 거친 환경과 제어되고 양호한 시나리오에서 작동되는 시스템 프로세서의 저전압 저전류 출력 사이의 인터페이스 부품 또는 ‘브리지’이다.

회로 및 레이아웃에서 전력 소자의 특이 사항과 불가피하게 발생하는 기생으로 인해 설계자가 스위칭 소자에 적절한 구동기를 선택하는 데 어려움이 있다. 따라서 응용 분야와 스위치 유형(실리콘(Si) 또는 실리콘 카바이드(SiC))의 파라미터를 신중하게 고려해야 한다. 전력 소자 제조업체에서 적합한 구동기를 종종 제안하고 제공하기도 하지만, 일부 구동기 관련 요소를 응용 분야의 세부 사항에 맞게 조정해야 한다.

대부분의 경우에 이를 위해 따라야 할 논리적인 기본 절차가 있지만 게이트 구동 저항기 값과 같은 일부 설정은 반복적인 분석을 통해 결정하고 직접 테스트하고 평가하여 확인해야 한다. 이러한 단계는 이미 복잡한 공정을 더욱 복잡하게 만들고 명확한 지침 없이 설계를 지연시킬 수 있다.

이 기사에서는 게이트 구동기의 역할을 간략하게 설명한 다음 구동기 선택과 선택한 전력 스위칭 소자와의 호환성을 확인하는 데 필요한 단계를 안내한다. 그런 다음 Infineon Technologies AG의 전형적인 저전력 소자와 고전력 소자를 소개하여 연결된 평가 기판 및 키트와 함께 핵심 포인트를 설명한다.

게이트 구동기의 역할

간단히 말해서 게이트 구동기는 컨트롤러 IC(일반적으로 프로세서)로부터 낮은 수준의 저전력 입력을 받은 다음 전력 소자를 켜고 끄는 데 필요한 전압의 적절한 고전류 게이트를 생성하는 전력 증폭기이다. 이러한 단순한 정의의 이면에는 전압, 전류, 슬루율, 기생, 과도 현상, 보호 등 복잡한 문제가 있다. 스위칭 속도가 빨라지면서 기생 및 과도 현상이 점점 더 까다로워지는 상황에서도 구동기는 시스템 요구 사항을 충족하고 전원 스위치를 명확하게 구동해야 한다.

구동기는 다양한 구성으로 사용할 수 있다. 가장 일반적인 것으로는 단일 로우사이드 구동기, 단일 하이사이드 구동기, 듀얼 하이사이드/로우사이드 구동기가 있다.

첫 번째 경우 전력 소자(스위치)는 부하와 접지 사이에 연결되고 부하는 접지 레일과 스위치 사이에 배치된다(그림 1). 실제 접지가 없으므로 이 접지를 ‘일반’이라고 하는 것이 더 적절하지만, 0V 지점을 정의하는 일반 회로 지점이라고 한다.

보완 하이사이드 배열에서 스위치는 전력 레일에 직접 연결되고 부하는 스위치와 접지/일반 사이에 배치된다(그림 2).

널리 사용되는 다른 토폴로지로는 브리지 배열에서 연결된 두 스위치를 구동하는 데 사용되는 하이사이드/로우사이드 페어링이 있다(그림 3).

분리는 어떨까?

하이/로우 배열에서는 그림 4와 같이 두 회로 기능을 추가해야 한다.

상단(하이사이드) 구동기 및 스위칭 소자는 접지 레퍼런스가 없는 ‘부동’ 상태이며 대부분의 게이트 구동기/전원 스위치 배열에서 다른 요구 사항을 갖다. 즉, 구동기 기능과 구동 스위치 사이에 전기적(옴) 분리가 필요하다.

분리란 분리 장벽의 두 측면 사이에 전류 흐름을 위한 전기 경로는 없지만 신호 정보는 분리 장벽을 통과해야 한다는 것을 의미한다. 이 분리는 광 커플러, 변압기 또는 커패시터를 통해 이루어질 수 있다.

시스템 내 다양한 기능 회로 사이의 전기적 분리는 기능 회로 간의 직접적인 전도 경로를 차단하여 개별 회로에서 다른 접지 레퍼런스를 처리할 수 있다. 장벽은 수십 볼트에서 수천 볼트 사이의 전체 레일 전압(안전 여유 포함)을 견뎌야 한다. 기본적으로 대부분의 아이솔레이터는 수천 볼트 이상 요구 사항을 쉽게 충족한다.

하이사이드 게이트 구동기는 특정 토폴로지에 따라 올바른 작동을 보장하기 위해 분리가 필요할 수 있지만, 전력 인버터 및 컨버터를 위한 게이트 구동 회로의 경우 주로 ‘접지’ 상태와 관련 없는 안전상의 목적으로 전기적 분리가 필요하다. 분리는 문자 그대로 높은 전압이 사용자에게 도달하지 못하도록 하여 감전 위험을 차단하기 위해 규제 및 안전 인증 기관에 의해 규정된다. 또한 고전압 회로 고장이나 제어측 인적 오류로 인한 손상으로부터 저전압 전자기기를 보호한다.

대부분의 전력 소자 구성에는 분리된 게이트 구동 회로가 필요하다. 예를 들어 로우사이드 구동기는 상단 전력 소자를 직접 구동하는 데 사용될 수 없으므로 전력 컨버터 토폴로지에는 하프브리지, 풀브리지, 벅, 2스위치 포워드, 능동 클램프 포워드와 같은 하이 스위치와 로우 스위치가 있다.

상단 전력 소자는 접지 전위에 연결되지 않으므로 분리된 게이트 구동기와 ‘부동’ 신호가 필요하다. 상단 전력 소자가 접지 전위에 연결되면 보완 구동기 및 전원 스위치가 단락된다. 이 요구 사항과 기술적 발전으로 인해 분리 기능을 통합하여 별도의 분리 소자가 필요하지 않은 게이트 구동기를 이용할 수 있다. 이는 규제 요건을 쉽게 충족하면서 고전압 레이아웃을 단순화한다.

[그림 4] 하이사이드/로우사이드 배열에서는 하이사이드를 위한 플로팅 전원 공급 장치와 제어 신호를 위한 레벨 시프터도 필요하다. (이미지 출처: Talema Group)

구동기 스위치 소자 관계 미세 조정

게이트 구동기 IC는 50kV/µs 이상의 슬루율에 도달하고 100kHz 이상의 속도로 전환할 수 있는 SiC MOSFET의 높은 스위칭 속도를 지원해야 한다. Si 소자는 일반적으로 12V 전압으로 켜지고 0V 전압을 사용하여 꺼진다.

Si 소자와 달리 SiC MOSFET은 일반적으로 +15V ~ +20V 전압을 사용하여 켜지고 -5V ~ 0V 전압을 사용하여 꺼진다. 따라서 켜기 전압과 끄기 전압을 위한 이중 입력을 지원하는 구동기 IC가 필요할 수 있다. SiC MOSFET은 Si MOSFET 또는 IGBT를 구동하는 데 필요한 10V ~ 15V 게이트-소스 전압(Vgs) 값보다 훨씬 높은 권장 18V ~ 20V Vgs로 구동되는 경우에만 낮은 온스테이트 저항을 나타낸다.

Si와 SiC의 다른 차이점은 SiC 소자의 ‘프리휠링’ 고유 바디 다이오드의 역회복 전하(Qrr)가 매우 낮다는 것이다. 필요한 전체 게이트 전하(Qg)를 빠르게 공급하려면 고전류 게이트 구동이 필요하다.

따라서 게이트 구동기와 스위칭 소자 게이트 사이에 적절한 관계를 설정해야 한다. 여기에서는 구동기와 스위칭 소자 사이의 최적 외부 게이트 저항기 값(RG,ext)을 결정하는 것이 중요하다(그림 5). 외부 저항기와 직렬로 연결되는 전력 소자 내에는 내부 게이트 저항(RG,int)도 있다. 이 값은 중요하지만 사용자가 제어할 수 없다.

이 저항기 값은 일반적으로 반복을 포함하는 네 단계로 결정되며, 페어링 성능의 일부 측면은 분석 및 모델링 이후에 ‘벤치에서’ 평가해야 한다. 간단히 말해서 일반적인 절차는 다음과 같다.

• 1단계: 규격서의 값을 기준으로 피크 전류(Ig)를 결정하고 적합한 게이트 구동기를 선택한다.

• 2단계: 응용 분야의 게이트 전압 스윙에 따라 외부 게이트 저항기 값(RG,ext)을 계산한다.

• 3단계: 게이트 구동기 IC와 외부 게이트 저항기의 예상 내전력(PD)을 계산한다.

• 4단계: 벤치에서 계산을 검증하여 구동기가 트랜지스터를 구동하는 데 충분하고 내전력이 허용 한도 내에 있는지 확인한다.

ⓐ 최악의 상황에서 dv/dt 과도 현상에 의해 트리거되는 기생 전원 켜기 이벤트가 없는지 확인한다.

ⓑ 정상 작동 중에 게이트 구동기 IC의 온도를 측정한다.

ⓒ 저항기의 피크 전력을 계산하고 단일 펄스 정격과 비교하여 확인한다.

이 측정에서는 가정과 계산이 SiC MOSFET의 안전한 스위칭 동작(발진 없음, 적절한 타이밍)으로 이어지는지 확인한다. 그렇지 않은 경우 설계자는 외부 게이트 저항기에 맞게 조정된 값으로 1단계 ~ 4단계를 반복해야 한다.

거의 모든 엔지니어링 결정과 마찬가지로 부품 값을 선택할 때 여러 성능 요소 사이에 트레이드 오프가 있다. 예를 들어 발진이 있는 경우 게이트 저항기 값을 변경하여 발진을 제거할 수 있다. 게이트 저항기 값을 높이면 dv/dt 슬루율이 낮아져서 저항기 속도가 느려진다. 저항기 값이 낮아지면 SiC 소자의 스위칭 속도가 빨라져서 dv/dt 과도 현상이 커진다. 외부 게이트 구동기 값을 높이거나 줄일 때 중요 게이트-구동기 성능에 미치는 광범위한 영향이 그림 6에 나와 있다.

[그림 6] 외부 게이트 저항기 값을 늘리거나 줄이면 많은 성능 속성에 영향을 주므로 설계자는 트레이드 오프를 평가해야 한다. (이미지 출처: Infineon Technologies AG)

타협할 필요 없음

시스템 설계 중에는 타협이 필요하지만 올바른 부품을 사용하면 이러한 타협을 획기적으로 줄일 수 있다. 예를 들어 Infineon의 EiceDRIVER 게이트 구동기 IC는 높은 전력 효율, 잡음 내성 및 견고성을 제공한다. 또한 빠른 회로 보호, 불포화(DESAT) 오류 감지 및 보호, 능동 Miller 클램프, 슬루율 제어, 숏스루 보호, I2C 디지털 구성과 같은 기능과 함께 쉽게 사용할 수 있다.

이 구동기는 실리콘 전력 소자와 와이드 밴드갭 전력 소자 모두에 적합하다. 이 구동기는 저전력, 저전압, 비분리형 로우사이드 구동기부터 분리된 kV/kW 소자까지 다양하다. 이중 및 다중 채널 구동기도 사용할 수 있으므로 일부 상황에 적합한 선택 옵션을 제공한다.

25V 로우사이드 게이트 구동기

다양한 장치 중에서 1ED44176N01FXUMA1은 DS-O8 패키지의 25V 로우사이드 게이트 구동기이다(그림 7). 이 저전압 전력 MOSFET 및 IGBT 비반전 게이트 구동기는 견고한 모놀리식 구조를 지원하는 독점 래치 내성 CMOS 기술을 제공한다. 논리 입력은 표준 3.3V, 5V 및 15V CMOS 또는 LSTTL 출력과 호환되며 슈미트 트리거 입력을 포함하여 잘못된 신호 트립을 최소화하며, 출력 구동기는 전류 버퍼 단계를 제공한다. 이 구동기는 최대 50kHz에서 50A/650V 장치를 구동할 수 있으며 AC 라인 구동 가전 제품 및 인프라(예: 열 펌프)를 대상으로 한다.

1ED44176N01FXUMA1의 주요 사양 중 통상 출력 소싱 단락 펄스 전류(10µsec 펄스 미만)는 0V에서 0.8A이고, 출력 싱킹 단락 펄스 전류는 15V에서 1.75A이다. 중요한 동적 사양에는 50ns(일반)/95ns(최대) 켜기 및 끄기 시간, 켜기 상승 시간 50ns/80ns(일반/최대) 및 끄기 하강 시간 25ns/35ns(일반/최대)가 포함된다.

과전류 보호(OCP) 감지 및 FAULT 상태 출력용 핀을 통해 1ED44176N01F에 상대적으로 쉽게 연결할 수 있다(그림 8). 또한 결함 제거 시간을 프로그래밍하기 위한 전용 핀이 있다. EN/FLT 핀을 위로 당겨서 정상 작동을 제공하고 아래로 당겨서 구동기를 비활성화한다. VCC 핀의 내부 회로망은 VCC 공급 전압이 필요한 작동 범위 이내로 복원될 때까지 출력을 낮게 유지하는 부족전압 차단 보호 기능을 제공한다. 개별 논리 및 전력 접지를 통해 잡음 내성을 강화한다.

연결이 상대적으로 용이하지만 이 게이트 구동기 및 관련 전력 소자 사용자는 EVAL1ED44176N01FTOBO1 평가 기판을 효율적으로 활용할 수 있다(그림 9). 이 기판을 사용하는 설계자는 전류 감지 션트 저항기(RCS), OCP 및 단락 회로 보호용 저항기 및 커패시터(RC) 필터 및 결함 제거 시간 커패시터를 선택하여 평가할 수 있다.

[그림 9] 설계자는 EVAL1ED44176N01FTOBO1 평가 기판을 사용하여 연결된 스위칭 소자로 주요 게이트 구동기 작동 지점을 설정 및 측정할 수 있다. (이미지 출처: Infineon Technologies AG)

고전압 SiC MOSFET 게이트 구동기

AC 라인 가전 게이트 구동기 및 전력 소자보다 훨씬 높은 전압 레벨에서 1EDI3031ASXUMA1은 5700VRMS 정격을 가진 분리된 단일 채널 12A SiC MOSFET 게이트 구동기이다(그림 10). 이 구동기는 5kW 이상의 자동차 모터 구동용으로 설계된 고전압 장치이며 400V, 600V, 1200V SiC MOSFET을 지원한다.

이 장치는 Infineon의 무철심 변압기(CT) 기술을 사용하여 전기적 분리를 구현한다(그림 11).

이 기술은 여러 가지 특징이 있다. 이 기술은 ±2300V 이상의 큰 전압 스윙, 네거티브 및 포지티브 과도 상태에 대한 내성, 낮은 전력 손실을 제공한다. 또한 공통 모드 잡음에 독립적인 매우 강력한 신호 전송과 최대 300V/ns의 공통 모드 전환 내성(CMTI)을 지원한다. 긴밀한 전파 지연 정합은 노화, 전류 및 온도로 인한 변동 없이 허용 오차 범위와 견고성을 제공한다.

1EDI3031ASXUMA1 구동기는 12A 피크 전류와 60ns 일반 전파 지연에서 레일 투 레일 출력을 제공하는 최대 1200V SiC MOSFET을 지원한다. CMTI는 1000V에서 최대 150V/ns이며 10A 통합형 능동 밀러 클램프는 단극 스위칭을 지원한다.

이 특정 구동기는 전기 차량(EV), 하이브리드 EV(HEV) 및 두 차량용 보조 인버터를 위한 제동 인버터를 대상으로 한다. 따라서 ASIL B(D) 등급과 AEC-Q100에 따른 제품 검증을 지원하는 여러 안전 기능이 통합되어 있다. 이러한 기능에는 중복 DESAT 및 OCP, 게이트 및 출력 단계 모니터링, 슛 스루 보호, 1차 및 2차 공급 모니터링, 내부 감독이 있다. 8kV 기본 절연은 VDE V 0884-11:2017-01을 충족하며 UL 1577에 따라 인증된다.

전력 레벨과 자동차 요구 사항을 충족하므로 1EDI3031-ASXUMA1 구동기는 매우 강력하지만 ‘단순한’ 장치이다. 모든 안전 기능 이외에 적절한 기능을 보장하기 위해 상태 구성도를 구현한다(그림 12). ‘침습적’ 진단 기능은 시스템에서 장애가 발생할 경우에 ‘안전한 상태’로 전환할 수 있다.

1EDI3031ASXUMA1로 작업하는 설계자는 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 게이트 구동기 제품군용 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 평가 기판으로 빠르게 시작할 수 있다(그림 13).

이 다목적 평가 플랫폼은 그림 14와 같은 하프 브리지 구성을 지원하며, HybridPACK DSC IGBT 모듈 또는 이산 소자 PG-TO247-3 전력 소자를 실장할 수 있다.

이 평가 기판에 대한 세부 규격서에는 회로도, 자재 명세서, 다양한 연결 방법과 위치에 관한 세부 사항, 구성 세부 사항, 작동 시퀀스, LED 표시등 설명선 등이 포함되어 있다.

[그림 14] 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 평가 기판은 분리된 하프 브리지 배열을 구현하며 모듈 또는 이산 소자 장치와 함께 사용될 수 있다. (이미지 출처: Infineon Technologies AG)

결론

게이트 구동기는 전력 소자 게이트(예: Si 또는 SiC MOSFET)의 낮은 수준의 저전력 프로세서 출력과 높은 수준의 고전력 고전류 요구 사항 사이의 중요 인터페이스이다. 인버터, 모터 구동기, 조명 컨트롤러 등 전력 시스템을 위한 성공적이고 안정적인 스위칭 회로에서는 구동기를 전력 소자의 특성 및 요구 사항에 맞게 적절히 일치시켜야 한다. 위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 여러 고급 독점 기술을 기반으로 하고 평가 기판 및 키트에서 지원되는 광범위하고 심층적인 구동기를 활용하여 최적 정합을 보장할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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